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Die Erfindung betrifft einen keramischen
Körper
für Hochfrequenzanwendungen
zur Verwendung im Mikrowellen-, Millimeterwellen- und anderen Hochfrequenzbereichen
sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Zusätzlich betrifft
die Erfindung eine dielektrische Antenne, einen Träger für einen
dielektrischen Resonator, einen dielektrischen Resonator, ein dielektrisches
Filter, einen dielektrischen Duplexer und ein Kommunikationssystem,
die zum Beispiel in Mobiltelefonen, personeneigenen Radiogeräten, Satellitenempfängern, drahtlosen
Netzwerken für
den Ortsbereich und in Millimeterwellenradargeräten eingebaut sind.
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Üblicherweise
werden keramische Körper
häufig
zum Beispiel in dielektrischen Resonatoren und auf Schaltungsplatten
zur Anwendung im Mikrowellenbereich, Millimeterwellenbereich und
anderen hochfrequenten Wellenbereichen verwendet.
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Solche keramischen Körper für Hochfrequenzanwendungen
müssen
(1) einen kleinen dielektrischen Verlust, d.h. einen hohen Q-Wert
und (2) eine thermisch stabile Resonanzfrequenz haben, das bedeutet,
einen Temperaturkoeffizienten (τf) der Resonanzfrequenz, der sich wahlfrei
in der Nähe
von 0 ppm/C° einstellen lässt.
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Zur Verkleinerung der damit hergestellten
Vorrichtung ist eine hohe Dielektrizitätskonstante (εr)
der Keramik zu bevorzugen, da die Wellenlänge einer elektromagnetischen
Welle im Dielektrikum auf 1/(εr)½ verkürzt wird.
Jedoch gab es auch Forderungen, ein Material mit einer kleinen relativen
Dielektrizitätskonstanten
bereitzustellen, wenn die elektrische Vorrichtung für eine Verwendung
bei hohen Frequenzen konzipiert und überaus klein sein sollte und
sich deswegen die Bearbeitbarkeit verschlechterte.
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Diese Art bekannter keramischer Körper für Hochfrequenzanwendungen
enthalten z.B. eine auf Ba(Sn, Mg, Ta)O3 beruhende
Keramik, wie sie die japanische geprüfte Patentanmeldung mit der
Veröffentlichungsnummer
3-34164 beschreibt
und eine auf MgO-SiO2-Al2O3 beruhende Keramik, wie sie in der japanischen
geprüften
Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
6-103603 und in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 8-69715
beschrieben ist.
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Bei dem auf Ba(Sn, Mg, Ta)O3 beruhenden keramischen Körper lässt sich
der Temperaturkoeffizient (τf) der Resonanzfrequenz nahe 0 ppm/°C einstellen
und er hat bei 10 GHz einen hohen Q-Wert von 20 000 bis 30 000.
Allerdings hat der keramische Körper
eine hohe relative Dielektrizitätskonstante
(εr) von 24, so dass die sich ergebende Vorrichtung
eine äußerst kleine
Abmessung hat, wodurch sich mit ihr, wenn sie im Mikrowellenbereich
oder im Millimeterwellenbereich verwendet wird, schlecht arbeiten
lässt.
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Im Gegensatz haben der auf MgO-SiO2-Al2O3 beruhende
keramische Körper
und Aluminiumoxidkeramiken eine kleine relative Dielektrizitätskonstante
(εr) von 7 bis 10 und bei 10 GHz einen hohen
Q-Wert von 6 000 bis 29 000. Diese keramischen Materialien haben
aber einen hohen absoluten Wert des Temperaturkoeffizienten (τf)
der Resonanzfrequenz von -30 bis -50 ppm/°C und sind in ihrer Anwendung
auf den Mikrowellen- oder Millimeterwellenbereich begrenzt.
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Eine mögliche Lösung, den Temperaturkoeffizienten
(τf) der Resonanzfrequenz der auf Aluminiumoxid beruhenden
keramischen Körper
zu kontrollieren, ist eine Kombination mit TiO2,
das einen positiven Temperaturkoeffizienten (τf) der
Resonanzfrequenz hat. Diese Art des Rohmaterials muss jedoch durch
Brennen bei Temperaturen nicht unter 1350°C gesintert werden, wobei der
Brand bei derart hohen Temperaturen die Bildung einer kristallinen
Phase von Al2TiO5 fördert, so
dass sich der Q-Wert und andere Kennwerte verschlechtern.
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Aus " Journal of American Ceramic Society", Band 40, Nr. 4,
(1957), Seiten 134-139 "Sintering
of Alumina at Temperatures of 1400°C and below" ist es bekannt, ein Dreifachsystem
von Al2O3-TiO2-MnO-Zusammensetzungen zu einem Körper zu
formen und bei 1300°C
zu sintern. Man erwartet, dass sich bei dieser Sintertemperatur
kein Al2TiO5 bildet.
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Dementsprechend ist es Aufgabe der
Erfindung, die obigen Schwierigkeiten zu lösen und einen keramischen Körper für Hochfrequenzanwendungen
zu ermöglichen,
der ausgezeichnete Hochfrequenz- und Temperaturkennwerte, eine relative
Dielektrizitätskonstante
(εr) von etwa 20 oder weniger und bei 10 GHz
einen Q-Wert von etwa 10 000 oder mehr hat und bei dem sich der
Temperaturkoeffizient (τf) der Resonanzfrequenz frei wählbar um
0 ppm/°C.
einstellen lässt,
sowie ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Körpers für Hochfrequenzanwendungen
anzugeben.
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Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung
besteht darin, unter Verwendung des zuvor erwähnten keramischen Körpers eine
dielektrische Antenne, einen Träger
für einen
dielektrischen Resonator, einen dielektrischen Resonator, ein dielektrisches
Filter oder einen dielektrischen Duplexer jeweils mit ausgezeichneten elektrischen
Eigenschaften und ein Hochleistungskommunikationssystem kleiner
Abmessung zu erzielen. In einem anderen Aspekt erzielt diese Erfindung
einen keramischen Körper
für Hochfrequenzanwendungen,
der bei 10 GHz einen Q-Wert von 10 000 oder mehr hat und der Al,
Ti und Mn als metallische Elemente aufweist, wobei der Körper dargestellt
ist durch die folgende Formel:
(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO, worin x und y in Mol-% angegeben
sind und x und y folgende Bedingungen erfüllen: 3,0 ≤ x ≤ 9,0; und 0,1 ≤ y ≤ 1,0.
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Genauer erfüllen x und y in der Kompositionsformel
bevorzugt weiterhin folgende Bedingungen: 3,0 ≤ x ≤ 7,0; und 0,1 ≤ y ≤ 0,25. Bevorzugt
ist in der Keramik für
Hochfrequenzanwendungen im wesentlichen keine kristalline Phase
von Al2TiO5 enthalten.
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Die Kompositionsformel ist diejenige
des Hochfrequenzkeramikkörpers
nach der Sinterung. Als Rohmaterial für den keramischen Körper für Hochfrequenzanwendungen
werden bevorzugt ein Aluminiumoxidpulver mit einer spezifischen
Oberfläche
von 4 m2/g oder mehr und ein Titandioxidpulver
mit einer spezifischen Oberfläche
von 3 m2/g oder mehr jeweils als das Rohmaterial
des Bestandteils AlO3/2 und das Rohmaterial
des Bestandteils TiO2 verwendet. Ein Aluminiumoxidpulver,
dessen spezifische Oberfläche
4 m2/g bis 5 m2/g
beträgt,
wird besonders bevorzugt als das Rohmaterial des Bestandteils AlO3/2 verwendet.
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Diese Erfindung erzielt in einem
weiteren Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Körpers für Hochfrequenzanwendungen,
der durch folgende Formel dargestellt ist:
(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO, worin
x und y in Mol-% angegeben sind und die folgenden Bedingungen erfüllen: 3,0 ≤ x ≤ 9,0; und
0,1 ≤ y ≤ 1,0, wobei
das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Mischen eines Al
enthaltenden Rohmaterials, eines Ti enthaltenden Rohmaterials und
eines Mn enthaltenden Rohmaterials;
Gießen der sich ergebenden Mischung
zur Bildung eines Grünkörpers; und
Brennen des Grünkörpers bei
einer Temperatur, die 1310°C
nicht übersteigt.
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Bevorzugt wird in dem obigen Verfahren
als das Al enthaltende Rohmaterial ein Aluminiumoxidpulver mit einer
spezifischen Oberfläche
von 4 m2/g und als das Ti enthaltende Rohmaterial ein Titandioxidpulver
mit einer spezifischen Oberfläche
von 3 m2/g verwendet. Das Aluminiumoxidpulver
hat bevorzugt einen Bereich seiner spezifischen Oberfläche von
4 bis 5 m2/g. Zusätzlich beträgt die Brenntemperatur bevorzugt
1300°C oder
weniger.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen dielektrischen
Antenne;
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2 ist
eine schematische Schnittansicht eines dielektrischen Resonatorsystems,
die ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiels
eines Trägers
für einen
dielektrischen Resonator zeigt;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines dielektrischen
Resonators;
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4 ist
eine Schnittansicht des in 3 gezeigten
dielektrischen Resonators entlang der Schnittlinie a–b;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines dielektrischen
Filters;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines dielektrischen
Duplexers; und
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7 ist
ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Kommunikationssystems.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Erfindungsgemäße dielektrische Keramiken
werden besonders bevorzugt in elektronischen Hochfrequenzteilen
angewendet. Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäße dielektrische
Keramiken verwendenden elektronischen Hochfrequenzteilen werden
nachstehend bezogenen auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Dielektrische
Antenne
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1 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen dielektrischen
Antenne. Die dielektrische Antenne 1 besteht aus einem
kubischen Antennensubstrat 2. An jedem Seitenende des Antennensubstrats 2 ist
eine Eingabe-Ausgabeelektrode 3 gebildet und in der Mitte der
Oberseite des Antennensubstrats 2 eine lineare Sendeelektrode 4,
die sich zum anderen Seitenende des Antennensubstrats erstreckt.
Die Sendeelektrode 4 ist in einem vorbestimmten Abstand
von der Eingabe-Ausgabeelektrode 3 angeordnet. Zusätzlich ist
eine Erdelektrode 5 gebildet, die fast die gesamte Oberfläche der Bodenseite
des Antennensubstrats 2 bedeckt und elektrisch mit der
Sendeelektrode 4 verbunden ist. In der dielektrischen Antenne 1 mit
dem obigen Aufbau besteht das Antennensubstrat 2 aus dem
erfindungsgemäßen keramischen
Körper
für Hochfrequenzanwendungen.
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1 zeigt
die dielektrische Antenne mit einer streifenleitungsartigen Sendeelektrode,
jedoch ist die Sendeelektrode in der erfindungsgemäßen dielektrischen
Antenne nicht auf diesen Typ der Sendeelektrode beschränkt, und
die erfindungsgemäße Keramik
für Hochfrequenzanwendungen
kann auch bei andersartigen dielektrischen Antennen angewendet werden.
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Träger für einen
dielektrischen Resonator
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2 ist
eine schematische Schnittansicht eines im TEO1δ-Modus schwingenden dielektrischen
Resonatorsystems, das ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Trägers für einen
dielektrischen Resonator zeigt.
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Das dielektrische Resonatorsystems 11 enthält ein Metallgehäuse 12,
und ein vom Träger 13 getragener
säulenförmiger dielektrischer
Resonator 14 findet seinen Platz in dem Raum innerhalb
des metallischen Gehäuses 12.
Ein Eingabeanschluss 15 und ein Ausgabeanschluss 16 werden
vom Metallgehäuse 12 gehalten
und gestützt.
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Im dielektrischen Resonatorsystem 11 besteht
der den dielektrischen Resonator 14 tragende Träger 13 aus
dem erfindungsgemäßen keramischen
Körper
für Hochfrequenzanwendungen.
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Dielektrischer Resonator
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3 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
eines dielektrischen Resonators und 4 eine
Schnittansicht des dielektrischen Resonators 21 von 3 längs der Linie a–b.
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Der dielektrische Resonator 21 besteht
aus einer prismatischen dielektrischen Keramik 22 mit einem Durchgangsloch 31.
Im Inneren des Durchgangslochs 31 ist ein Innenleiter 23a und
um den dielektrischen Resonator ein Außenleiter 23b gebildet.
Der dielektrische Resonator 21 wirkt als solcher durch
elektromagnetische Kopplung des dielektrischen Keramikkörpers 22 mit
einem Eingabe/Ausgabeanschluss, d.h. einem externen Kopplungsmittel.
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Der den dielektrischen Resonator 21 bildende
dielektrische keramische Körper 22 besteht
aus dem erfindungsgemäßen keramischen
Körper
für Hochfrequenzanwendungen.
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3 veranschaulicht
einen prismatischen dielektrischen Resonator, der den TEM-Schwingungsmodus
leitet, die Erfindung ist jedoch nicht auf einen in diesem Modus
schwingenden dielektrischen Resonator beschränkt. Natürlich kann die erfindungsgemäße Keramik
für Hochfrequenzanwendungen
auch bei dielektrischen Resonatoren angewendet werden, in denen
sich die anderen Resonanzmodi ausbreiten, z. B. der transversale
elektromagnetische Modus (TEM-Modus), der transversale magnetische
Modus (TM-Modus) und der transversale elektrische Modus (TE-Modus).
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DIELEKTRISCHES
FILTER
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5 ist
eine perspektivische schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines
dielektrischen Filters.
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Das dielektrische Filter 24 enthält einen
dielektrischen Resonator und eine externe Kopplungseinrichtung 25 als
Eingabe/Ausgabeanschluss, der auf dem dielektrischen Resonator gebildet
ist. Der dielektrische Resonator enthält einen dielektrischen Keramikkörper 22 mit
einem Durchgangsloch 31 und einem innerhalb des Durchgangslochs 31 gebildeten
Innenleiter 23a sowie einen auf der Oberfläche des
dielektrischen keramischen Körpers 22 gebildeten
Außenleiter 23b.
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5 zeigt
ein blockförmiges
dielektrisches Filter, jedoch kann das erfindungsgemäße dielektrische Filter
auch ein diskretes dielektrisches Filter sein.
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DIELEKTRISCHER
DUPLEXER
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6 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines
dielektrischen Duplexers. Der dielektrische Duplexer 26 enthält zwei
dielektrische Filter, eine Eingabeverbindungseinrichtung 27,
die mit einem der beiden dielektrischen Filter verbunden ist, eine
Ausgabeverbindungseinrichtung 28, die mit dem anderen dielektrischen
Filter verbunden ist, und eine Antennenverbindungseinrichtung 29,
die mit beiden dielektrischen Filtern gemeinsam verbunden ist. Jedes
der beiden dielektrischen Filter enthält einen dielektrischen Resonator,
und der dielektrische Resonator enthält einen dielektrischen Keramikkörper 22 mit
einem Durchgangsloch 31, einen im Durchgangsloch 31 gebildeten
Innenleiter 23a und einen auf der Oberfläche der
dielektrischen Keramik 22 gebildeten Außenleiter 23b.
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6 zeigt
einen blockförmigen
dielektrischen Duplexer, jedoch kann der erfindungsgemäße dielektrische
Duplexer auch ein diskreter dielektrischer Duplexer sein.
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KOMMUNIKATIONSSYSTEM
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7 zeig
ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Kommunikationssystems.
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Das Kommunikationssystem 30 enthält einen
dielektrischen Duplexer 32, eine Sendeschaltung 34, eine
Empfangsschaltung 36 und eine Antenne 38. Die
Sendeschaltung 34 ist mit der Eingabeverbindungseinrichtung 40 des
dielektrischen Duplexers 32 und die Empfangsschaltung 36 mit
der Ausgabeverbindungseinrichtung 42 des dielektrischen
Duplexers 32 verbunden. Die Antenne 38 ist mit
der Antennenverbindungseinrichtung 44 des dielektrischen
Duplexers 32 verbunden. Der dielektrische Duplexer 32 enthält zwei
dielektrische Filter 46 und 48. Jedes dielektrische
Filter 46 und 48 besteht aus dem erfindungsgemäßen dielektrischen Resonator
und einer mit dem dielektrischen Resonator verbundenen externen
Kopplungseinrichtung. In diesem Ausführungsbeispiel sind die dielektrischen
Filter z.B. durch eine Verbindung der jeweiligen externen Kopplungseinrichtung 50 jeweils
mit den Eingabe- und Ausgabeanschlüssen des dielektrischen Resonators 21 gebildet.
Ein dielektrisches Filter 46 ist zwischen der Eingabeverbindungseinrichtung 40 und
dem anderen dielektrischen Filter 48 und das andere dielektrische
Filter 48 zwischen dem dielektrischen Filter 46 und
der Ausgabeverbindungseinrichtung 42 verbunden.
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Die Anwendungen der erfindungsgemäßen Keramiken
für Hochfrequenzanwendungen
sind nicht auf die zuvor erwähnten
Einrichtungen und Geräte,
wie z.B. auf dielektrische Antennen und dielektrische Resonatoren,
beschränkt
und enthalten im erweiterten Sinn Hochfrequenzgeräte, wie
z.B. Schaltungsplatten, zur Anwendung im Mikrowellen- oder Millimeterwellenbereich.
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BEISPIELE
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Diese Erfindung wird mehr im einzelnen
bezogen auf die nachstehenden Beispiele erläutert, die jedoch den Umfang
der Erfindung nicht beschränken
sollen.
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BEISPIEL 1
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Zu Anfang wurde hochreines Aluminiumoxid(Al2O3)-Pulver in einem
Reinheitsgrad von 99,9% oder mehr und mit einer spezifischen Oberfläche von
4 m2/g, Titandioxid(TiO2)-pulver in einem
Reinheitsgrad von 99,8% oder mehr und einer spezifischen Oberfläche von
3 m2/g und Mangancarbonat(MnCOs)-pulver
als Ausgangsmaterialien bereitet.
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Diese Materialien wurden miteinander
vermischt, damit man nach dem Brennen Keramiken mit den in Tabelle
1 angegebenen Zusammensetzungsverhältnissen erhielt.
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Das gemischte Pulver wurde mit einer
geeigneten Menge eines Binders in einer Kugelmühle 16 Stunden lang nassgemahlen,
getrocknet, dann unter einem Druck von 1000 bis 2000 kg/cm2 zu einer Scheibe druckgegossen und anschließend bei
der in Tabelle 1 angegebenen Temperatur in Luft gebrannt und ergab
so eine Keramikscheibe (gesinterter keramischer Körper). Die hergestellte
Keramik wurde auf einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von
5 mm geschliffen und damit eine Testprobe hergestellt.
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In diesem Zusammenhang kann das Gießen auch
durch Blattguss, isostatisches Kaltpressen (CIP), Nassguss, Druckschlupfguss
und jede andere Technik ausgeführt
werden, die eine gewünschte
Form ergibt, wie auch durch die Druckgusstechnik.
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An jeder der in der obigen Weise
bereiteten Proben wurde die relative Dielektrizitätskonstante
(εr) und der Q-Wert bei Wellenlängen von
10 bis 14 GHz durch ein Verfahren gemessen, das den an beiden Enden kurzgeschlossenen
dielektrischen Resonator verwendet. Die gemessenen Q-Werte wurden in einen
Q-Wert bei 10 GHz umgesetzt in Folge des Gesetzes, dass Q multipliziert
mit f konstant ist. Getrennt wurde der Temperaturkoeffizient der
Resonanzfrequenz (τf, 25°C
bis 55°C)
anhand der Temperaturänderung
der Resonanzfrequenz im TE01δ-Schwingungsmodus
berechnet. Die Kristallphase jeweils der Proben 3, 9, 16, 31 und 37 wurde
durch eine Röntgenstrahlbeugungsanalyse
mit einem Cu-Kα-Strahl
bei der Wellenlänge λ von 1,5418 Angström bestimmt.
Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt.
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Tabelle 1 zeigt, dass die Keramiken
für Hochfrequenzanwendungen
der Proben 7 bis 11, 14 bis 18, 21 bis 25, 28 bis 32 und 35 bis 39 einen
hohen Q-Wert haben und gleichzeitig eine kleine relative Dielektrizitätskonstante
im Mikrowellenbereich haben.
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Die Werte von x und y, in der die
Keramik für
Hochfrequenzanwendungen angebenden Zusammensetzungsformel (100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO, worin
x und y in Mol-% angegeben sind, werden nachstehend bezogen auf
Tabelle 1 untersucht.
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Wie in Tabelle 1 angegeben, sollte
x in der obigen Formel in einem Bereich von etwa 3,0 bis 9,0 liegen. Wenn
x kleiner als etwa 3,0 (Proben 6, 13, 20, 27, 34 und 41)
oder größer als
9,0 ist (Proben 12, 19, 26 und 33),
wird der Temperaturkoeffizient (τf) der Resonanzfrequenz kleiner als -30 ppm/°C oder höher als
50 ppm/°C,
und es ließ sich
kein signifikant stabiler Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz
erreichen.
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Tabelle 1 zeigt auch, dass y in der
Zusammensetzungsformel in einem Bereich von 0,1 bis 1,0 liegen sollte.
Wenn y kleiner als etwa 0,1 ist (Probe 4), lässt sich
die sich ergebende Zusammensetzung bei Temperaturen, die 1310°C nicht überstiegen,
nicht genügend
sintern und der sich ergebende gesinterte Körper neigt zu einem kleinen
Q-Wert. Falls y über
1,0 liegt (Probe 42), lässt
sich die Zusammensetzung bei Temperaturen sintern, die 1310°C nicht übersteigen,
aber der hergestellte gesinterte Körper hat die Tendenz eines
kleinen Q-Werts.
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Zusätzlich hat der hergestellte
gesinterte Körper,
wenn x und y in der Zusammensetzungsformel die folgenden Bedingungen
erfüllen:
3,0 ≤ x ≤ 7,0; und
0,1 ≤ y ≤ 0,25, wie
bei den Keramiken der Proben 7 bis 10 und 14 bis 17, zufriedenstellende
Eigenschaften beim Temperaturkoeffizienten (τf) der
Resonanzfrequenz in einem Bereich von 0+/-30 ppm/°C und ausgezeichnete
Hochfrequenzeigenschaften bei 10 GHz mit einem Q-Wert von 15 000
oder darüber.
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Wie der Vergleich zwischen der Keramik
der Probe 3 mit den Keramiken der Proben 9, 16, 31 und 37 zeigt,
enthalten die erfindungsgemäßen Keramiken
für Hochfrequenzanwendungen
im wesentlichen keine beobachtbare kristalline Al2TiO5-Phase und können einen hohen Q-Wert haben.
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BEISPIEL 2
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Zu Anfang wurden hochreines Aluminiumoxid(Al2O3)-Pulver, Titandioxid(TiO2)-Pulver
und Mangancarbonat(MnCO3)-Pulver als Ausgangsmaterialien
bereitet. Als Al2O3-Pulver
wurde eines mit einer Reinheit von 99,9% oder reiner und einer spezifischen
Oberfläche
von 3 m2/g, 4 m2/g
oder 13 m2/g verwendet. Als TiO2-Pulver
wurden solche in einer Reinheit von 99,8% oder reiner und einer
spezifischen Oberfläche
von 1 m2/g, 3 m2/g,
7 m2/g und 30 m2/g verwendet.
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Danach wurden diese Materialien miteinander
vermischt zur Herstellung von Keramiken, die nach dem Brennen das
in Tabelle 2 angegebene Zusammensetzungsverhältnis haben.
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Eine Reihe von Proben wurden in derselben
Weise wie beim Beispiel 1 bereitet, mit der Ausnahme, dass die Brenntemperatur
die in Tabelle 2 angegebenen Werte hatte. Die relative Dielektrizitätskonstante
(εr), der Q-Wert und der Temperaturkoeffizient
(τf) der Resonanzfrequenz der bereiteten Proben
wurden in derselben Weise ermittelt wie bei Beispiel 1. Die Ergebnisse
sind in der nachstehenden Tabelle 2 gezeigt.
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Tabelle 2 zeigt, dass kleinere Korngrößen der
Aluminiumoxid- und Titandioxidpulver bevorzugt sind, um die Sinterbarkeit
bei niedrigen Temperaturen zu verbessern. Genauer können die
Zusammensetzungen bei Temperaturen unter 1300°C gebrannt werden, indem ein
Aluminiumpulver mit einer spezifischen Oberfläche von 4 m2/g
oder mehr und ein Titandioxidpulver mit einer spezifischen Oberfläche von
3 m2/g oder mehr verwendet werden.
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Zum Beispiel kann, wie der Vergleich
zwischen der Keramik der Probe 51 mit den Keramiken der
Proben 44 und 45 zeigt, die Verwendung eines Aluminiumoxidpulvers
mit einer spezifischen Oberfläche
von 13 m2/g und eines Titandioxidpulvers
mit einer spezifischen Oberfläche
von 30 m2/g die Brenntemperatur um 60°C bis 80°C senken, ohne dass sich im
Vergleich mit der Verwendung eines Aluminiumoxidpulvers mit einer spezifischen
Oberfläche
unter 4 m2/g und eines Titandioxidpulvers
mit einer spezifischen Oberfläche
weniger als 3 m2/g die Eigenschaften verschlechtern.
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Allerdings steigern zu geringe Korngrößen der
verwendeten Pulvermaterialien, insbesondere des verwendeten Aluminiumoxidpulvers,
die Kosten der Pulver oder Erhöhen
den Feinheitsgrad der Pulver und verschlechtern dadurch die Produktivität. Derart übertrieben
kleine Korngrößen sind
deshalb nicht immer kommerziell effektiv. Demgemäß zeigt eine umfassende Betrachtung
der Leistung, Kosten und Produktivität, dass das Aluminiumoxidpulver
bevorzugt eine spezifische Oberfläche von 4 m2/g
bis 5 m2/g und das Titandioxidpulver bevorzugt eine spezifische
Oberfläche
von 3 m2/g oder mehr haben sollte.
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Für
die obigen Beispiele wurden Aluminiumoxid, Titanoxid und Mangancarbonat
als Rohmaterial verwendet. Die für
die Erfindung zu verwendenden Ausgangsmaterialien sind jedoch auf
diese nicht besonders beschränkt,
und Zusammensetzungen, wie Carbonate, Nitrate und Hydroxide, die
beim Brennen Oxide bilden, können
zur Verwendung geeignet sein.
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Die erfindungsgemäßen Keramiken für Hochfrequenzanwendungen
können
außerdem
Spuren von Additiven aufweisen in Bereichen, die die zuvor erwähnten Eigenschaften
nicht verschlechtern. Z.B. kann der Zusatz von SiO2,
B2O3, V2O5 oder WO3 in einer
Menge von 1,0 Gewichtsprozenten oder weniger die Brenntemperatur
um 10°C
bis 20°C
senken und Beeinträchtigungen
der Eigenschaften unterdrücken.
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Zusätzlich können die erfindungsgemäßen Keramiken
für Hochfrequenzanwendungen
außerdem
obligatorische Verunreinigungen wie Na, K, Fe, Cu, Ga, Cl, Ca und
Zr in einer Menge von etwa 0,1 Gewichtsprozenten in Oxidform aufweisen.
Die Menge des Elements Zr sollte bevorzugt auf 1,0 Gewichtsprozente
oder weniger bezogen auf Oxide und auf der Basis des Gesamtgewichts
der Keramik kontrolliert werden.
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Vorteile
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Wie oben beschrieben, enthält die erfindungsgemäße Keramik
für Hochfrequenzanwendungen,
die Al, Ti und Mn als metallische Elemente aufweist, im wesentlichen
keine Al2TiO5-Phase,
wie sich durch Röntgenstrahlbeugungsanalyse
zeigt, und hat deshalb eine geringe relative Dielektrizitätskonstante
(εr) von 20 oder weniger und bei 10 GHz einen
hohen Q-Wert von 10 000 oder mehr. Sie ermöglicht es, den Temperaturkoeffizienten
(τf) der Resonanzfrequenz um 0 ppm/°C wahlfrei
einzustellen und erzielt dadurch zufriedenstellende Hochfrequenz-
und Temperatureigenschaften.
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Zusätzlich lassen sich durch eine
weitere Spezifikation der Mengen der Bestandteile Ti und Mn in der durch
die Zusammensetzungsformel dargestellten Keramik für Hochfrequenzanwendungen
zufriedenstellende Kennwerte des Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz
in einem Bereich von 0+/-30 ppm/°C
und ein Q-Wert von 15 000 oder mehr bei 10 GHz erreichen.
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Die Verwendung eines Aluminiumoxidpulvers
mit einer spezifischen Oberfläche
von 4 m2/g oder mehr und eines Titandioxidpulvers
mit einer spezifischen Oberfläche
von 3 m2/g oder mehr jeweils als das Al-Material
und das Ti-Material der erfindungsgemäßen Keramik für Hochfrequenzanwendungen
kann eine Erhöhung der
Materialkosten unterbinden und die Sinterbarkeit bei niedrigen Temperaturen
ohne Verschlechterung der Produktivität verbessern.
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Demgemäß lässt sich erfindungsgemäß mit der
die obige Zusammensetzung aufweisenden dielektrischen Keramik eine
dielektrische Antenne, ein Träger,
z.B. für
einen dielektrischen Resonator, ein dielektrischer Resonator, ein
dielektrisches Filters und ein dielektrischen Duplexer jeweils mit
zufriedenstellenden elektrischen Eigenschaften und außerdem ein
Hochleistungskommunikationssystem geringer Größe herstellen.
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Andere Ausführungsbeispiele und Variationen
werden den Fachleuten unschwer einfallen, und diese Erfindung ist
nicht auf die oben beschriebenen besonderen Gegenstände beschränkt.